DE102023003627A1

DE102023003627A1 - Schutz des Ladestromkreises von Versorgungsgeräten und Ladekabeln für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102023003627A1
Application number: DE102023003627.7A
Authority: DE
Inventors: Arun Chandrasekharan Nair; Aishwarya Gavai; Mark Renner; Urs Boehme
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2023-09-07
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung 100 und ein System zum Schutz der Ladeschaltung von EVSE 110 und des Ladekabels 130. Die Vorrichtung 100 umfasst ein elektrisches Element 102, das zwischen der leitend gekoppelten Leitung von EVSE (110) zu EV (120) und dem Chassis von EV (126) angeordnet ist, wenn das EVSE 110 über einen Leistungswandler 122 ohne galvanische Trennung mit dem EV 120 verbunden ist. Die Vorrichtung 100 umfasst auch einen Controller, der konfiguriert ist, um Batteriestrom in Echtzeit mit einem vordefinierten sicheren Stromwert zu vergleichen; und betätigen das elektrische Element 102 für den Fall, dass der Echtzeit-Batteriestrom den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet. Ferner ist das elektrische Element 102 derart konfiguriert, dass das elektrische Element 102 bei Betätigung durch die Steuerung den Fluss des Batteriestroms von dem Ladekabel 130 auf einen alternativen Pfad umlenkt, wodurch das EVSE 110 und das Ladekabel 130 geschützt werden.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf den Bereich der Elektrofahrzeuge. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung und ein System zum Schutz der Ladeschaltung von Elektrofahrzeugversorgungsgeräten (EVSE) und Ladekabeln bereit.
Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) steigt weltweit von Tag zu Tag. Mit der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen ist auch die Notwendigkeit entstanden, Elektrofahrzeugversorgungsgeräte (EVSE) für diese Elektrofahrzeuge einzurichten. Herkömmliche EVSE verfügen über eine feste Nennspannung, die von den Nennspannungen verschiedener Elektrofahrzeuge abweichen kann. Um diese EVSEs schnell aufladen zu können, sind Elektrofahrzeuge daher mit Leistungswandlern ausgestattet, die die zugeführte elektrische Leistung in die erforderlichen Nennwerte umwandeln können.
Bei solchen konventionellen Architekturen besteht die Herausforderung jedoch darin, das EVSE und ein Ladekabel im Falle eines Gehäusefehlers von einem Hochspannungsanschluss (HV) der Batterie eines Elektrofahrzeugs zum Chassis des Elektrofahrzeugs zu schützen. Wenn ein solcher Gehäusefehler auftritt, wird die Batteriespannung auf das Überspannungsschutzgerät (SPD) auf der EVSE-Seite aufgeprägt. Einige Hersteller verwenden Varistoren als SPD, die von 500V-550V leitfähig werden, d.h. der SPD schließt sich selbst kurz, wenn er einen Spannungsstoß erkennt. Dadurch werden die HV-Batteriepole durch einen PE-Draht kurzgeschlossen.
Obwohl der Breaktor den Batteriekreislauf öffnet, beträgt die Reaktionszeit des Breaktors etwa 2-5 Millisekunden (ms). In diesem Fall können drei Eventualitäten eintreten:

a) Zerstörung des SPD auf der EVSE-Seite, wenn sein mA-s-Rating überschritten wird;
b) Zerstörung von PE-Draht, wenn seine Einstufung A²s verletzt wird; und
c) Aufgrund des hohen Stroms im PE-Draht kann die Berührungsspannung am Gehäuse des Elektrofahrzeugs 60 V überschreiten, was für den Benutzer gefährlich sein kann.

Es wurden verschiedene Techniken entwickelt und viele halbleitende und leistungselektronische Geräte bereitgestellt, um diese Probleme zu überwinden und die entsprechenden Schaltkreise bei Fehlern zu schützen. Zum Beispiel offenbart das Patentdokument US20160075236A1 eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz eines Bordnetzes eines Elektrofahrzeugs vor einer elektrischen Überspannung. Die Überspannungsschutzvorrichtung umfasst eine Eingabevorrichtung, eine Schutzvorrichtung und eine Schnittstellenvorrichtung, wobei die Eingabevorrichtung als Stromanschluss des Elektrofahrzeugs ausgebildet ist; und die Schutzvorrichtung verfügt über mindestens einen Überspannungsableiter zum Auffangen einer Überspannung. Ferner ist die Schnittstellenvorrichtung dazu ausgebildet, das Bordnetzsystem des Elektrofahrzeugs vor der elektrischen Überspannung zu schützen, indem eine Steckdose der Schutzvorrichtung mit dem Bordnetzsystem gekoppelt wird.
Das Patentdokument CN110912101B offenbart einen berührungslosen passiven SPD-Backup-Schutzschalter, der den Überstrom auf der mit dem Überspannungsschutz verbundenen Netzfrequenz-Phasenleitung durch das Stromwechselinduktivitätsmodul in Zielerfassungsstrom umwandelt und den Zielerfassungsstrom durch ein Gleichrichtermodul gleichrichtet. Ferner wird die Art des Überstroms, der dem gleichgerichteten Zielerfassungsstrom entspricht, durch das Stromerfassungsmodul beurteilt, wenn der Überstrom ein normaler Stoßstrom ist, wird der gleichgerichtete Zielerfassungsstrom zur Erde abgeleitet. Wenn es sich bei dem Überstrom um einen SPD-Ausfallstrom handelt, wird die Phasenleitung der Netzfrequenz durch die Zusammenarbeit des auslösenden Antriebsmoduls und des elektromagnetischen Auslösemoduls unterbrochen.
Das Patentdokument offenbart US9337673B2 eine Batterieladevorrichtung, die das Laden einer Batterie durch einen Wechselstromgenerator steuert, wobei die Batterieladevorrichtung ein erstes Schaltelement aufweist, das mit einem ersten Batteriepol verbunden ist, an den eine positive Elektrodenseite der Batterie in einer normalen Verbindung der Batterie an einem ersten Ende davon angeschlossen ist, und mit einem ersten Generatoranschluss, an dem ein erster Ausgang des Wechselstromgenerators angeschlossen ist ein zweites Ende davon. Ein zweites Schaltelement, das mit dem ersten Batteriepol an einem ersten Ende davon und mit einem zweiten Generatoranschluss verbunden ist, an dem ein zweiter Ausgang des Wechselstromgenerators an einem zweiten Ende davon angeschlossen ist. In einem Fall, in dem eine Steuerschaltung aufhört, das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement zu steuern, und das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind, schaltet eine Erfassungsschaltung, die einen umgekehrten Verbindungszustand der Batterie erkennt, mindestens eines der ersten Schaltelemente und das zweite Schaltelement zwangsweise ein, wenn die Erfassungsschaltung den umgekehrten Verbindungszustand der Batterie erkennt.
Während die zitierten Referenzen verschiedene Systeme zum Schutz von Schaltkreisen vor Fehlern während des Ladens der Batterie offenbaren, besteht in der Kunst die Notwendigkeit, eine Lösung bereitzustellen, die EVSE und das Ladekabel beim Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs schützt.
Ein allgemeiner Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Vorrichtung und ein System zum Schutz von EVSE und Ladekabel vor Transienten und Überspannungen während des Ladevorgangs eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Vorrichtung und ein System zum Schutz von EVSE, seinem SPD- und PE-Draht sowie dem Ladekabel während eines Körperfehlers bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Vorrichtung und ein System bereitzustellen, das ein elektrisches Element mit sehr hoher Kurzzeitstromfähigkeit und schneller Einschaltzeit umfasst, so dass es im Falle eines Körperfehlers sofort betätigt werden kann.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Vorrichtung und ein System bereitzustellen, das das elektrische Element nur im Falle des Körperfehlers aktiviert und das elektrische Element während des normalen Schnellladens nicht im Stromkreis vorhanden ist, daher nicht zu den Verlusten beiträgt.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Vorrichtung und ein System bereitzustellen, die sehr wenig Volumen einnehmen, da das elektrische Element nicht für den vollen Fehlerstrom ausgelegt sein muss.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Vorrichtung und ein System bereitzustellen, die kein Kühlsystem benötigen, da das elektrische Element nur für wenige Millisekunden aktiviert werden muss.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine intelligente, kostengünstige, kompakte und effiziente Vorrichtung bereitzustellen, die leicht in verschiedene Ladesysteme integriert werden kann.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf den Bereich der Elektrofahrzeuge. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung und ein System zum Schutz der Ladeschaltung von Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) und das entsprechende Ladekabel bereit.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz einer Ladeschaltung einer Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE) und eines Ladekabels während eines Fehlers in einem Elektrofahrzeug (EV), das geladen wird, wobei die Vorrichtung ein elektrisches Element und eine Steuerung umfasst. Der Batteriestrom fließt durch den PE-Draht im Ladekabel und SPD im EVSE. Das elektrische Element wird zwischen einer leitend gekoppelten Leitung von EVSE zu EV und dem Chassis des EV platziert, wenn das EVSE über einen Stromwandler ohne galvanische Trennung mit dem EV verbunden ist. Der Regler steht in Verbindung mit dem elektrischen Element, wobei der Regler so konfiguriert ist, dass: Vergleichen Sie den Batteriestrom (Strom durch die Batterie), der von der EVSE geliefert wird, in Echtzeit mit einem vordefinierten sicheren Stromwert-und betätigen Sie das elektrische Element, falls der Batteriestrom den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet. Ferner ist das elektrische Element derart konfiguriert, dass es bei Betätigung durch die Steuerung den Fluss des Batteriestroms vom Ladekabel auf einen alternativen Pfad umleitet, wodurch das EVSE und das Ladekabel geschützt werden.
In gewisser Weise kann das elektrische Element so konfiguriert sein, dass es zwischen einem Chassis des Elektrofahrzeugs und einem gemeinsamen Hochspannungsanschluss (HV) zwischen dem EVSE und einer Batterie des Elektrofahrzeugs gekoppelt ist.
In einem anderen Aspekt kann das elektrische Element mit einer vordefinierten Ampere-Quadratsekunden-Nennleistung und einer minimalen Einschaltzeit so gewählt werden, dass es das Umleiten des Batteriestroms für ein vordefiniertes Zeitintervall erleichtern kann, bis die Batterie von der EVSE und dem Ladekabel isoliert ist.
In einem Aspekt kann die Vorrichtung ferner ein Breaktorelement enthalten, das mit der Vorrichtung gekoppelt sein kann, was eine Isolierung der Batterie von dem EVSE und dem Ladekabel ermöglicht, und das vordefinierte Zeitintervall kann der Zeit entsprechen, die für die Aktivierung des Breaktorelements benötigt wird.
In gewisser Weise kann die EVSE eine oder mehrere Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) und einen Schutzerdungsdraht (PE) umfassen, wobei der Strom im SPD und im PE-Draht auf Null fallen kann, sobald das elektrische Element betätigt wird und den Fluss des Batteriestroms vom Ladekabel auf den alternativen Pfad umleitet, wodurch der SPD und der PE-Draht während des Fehlers geschützt werden.
In gewisser Weise kann das elektrische Element ein Thyristor sein, und der Controller kann einen Operationsverstärker (OP-AMP) umfassen.
In gewisser Weise kann der Leistungswandler ein DC-DC-Booster ohne galvanische Trennung sein, und der vom EVSE gelieferte Echtzeit-Batteriestrom ist Gleichstrom.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein System zum Schutz einer Ladeschaltung einer Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE) und eines Ladekabels während eines Fehlers. Das System besteht aus einem oder mehreren Überspannungsschutzgeräten (SPD), die mit dem EVSE konfiguriert sind, und einem Schutzerdungsdraht (PE), der im Ladekabel konfiguriert ist. ein Stromwandler ohne galvanische Trennung, der in einem Elektrofahrzeug (EV) vorgesehen ist; und ein Gerät, das so konfiguriert ist, dass es zwischen dem EVSE und dem EV gekoppelt werden kann. Die Vorrichtung umfasst ein elektrisches Element, das zwischen einer leitfähig gekoppelten Leitung von EVSE zu EV und dem Chassis des EV platziert ist, wenn das EVSE zum Aufladen an das EV angeschlossen ist; und eine Steuerung, die mit dem elektrischen Element in Verbindung steht, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie: Vergleichen Sie den Batteriestrom in Echtzeit mit einem vordefinierten sicheren Stromwert. und betätigen Sie das elektrische Element für den Fall, dass der Echtzeit-Batteriestrom den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet. wobei das elektrische Element derart konfiguriert ist, dass es bei Betätigung durch die Steuerung den Fluss des Batteriestroms vom Ladekabel auf einen alternativen Pfad umleitet, wobei der alternative Pfad das elektrische Element umfasst, wodurch das EVSE und das Ladekabel geschützt werden.
In einem anderen Aspekt kann das System ein breaktor-Element umfassen, das die Isolierung einer Batterie des EV von dem EVSE und dem Ladekabel nach einem vordefinierten Zeitintervall ermöglichen kann, das der Zeit entsprechen kann, die für die Aktivierung des breaktor-Elements erforderlich ist. Ferner kann das System zulassen, dass das elektrische Element betätigt wird und die Zirkulation des Batteriestroms nur für das vordefinierte Zeitintervall erleichtert.
Verschiedene Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile des erfindungsgemäßen Gegenstands werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungsfiguren, in denen gleiche Ziffern gleiche Komponenten darstellen, deutlicher.
Die beigefügten Zeichnungen dienen dazu, ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln, und sind Bestandteil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung.

1 veranschaulicht ein beispielhaftes Blockdiagramm der vorgeschlagenen Vorrichtung, um ihre Gesamtfunktionsweise gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auszuarbeiten.
2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das ein herkömmliches Schnellladesystem darstellt.
3 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das den Betrieb des konventionellen Schnellladesystems während einer Störung darstellt.
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm, das die Implementierung der vorgeschlagenen Vorrichtung in das System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
5 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm, das die Steuerschaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
6 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm, das eine Simulation der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
7 veranschaulicht Diagramme, die Simulationsergebnisse darstellen, die Batteriestrom, Ströme in PE-Draht und SPD sowie Booster-Induktivitätsstrom für einen Körperfehler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
8 veranschaulicht Diagramme, die Simulationsergebnisse darstellen, die die Spannung zwischen HV+ und Chassis, die Gate-Spannung, die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem EVSE-Chassis für den Karosseriefehler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.

Es folgt eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Offenbarung, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die Ausführungsformen sind so detailliert, dass sie die Offenbarung klar kommunizieren. Die angebotene Detailgenauigkeit ist jedoch nicht dazu gedacht, die erwarteten Variationen von Ausführungsformen einzuschränken; Vielmehr sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen erfasst werden, die in den Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarungen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, fallen.
Die hierin erläuterten Ausführungsformen beziehen sich auf den Bereich der Elektrofahrzeuge (EVs). Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung und ein System zum Schutz der Ladeschaltung von Elektrofahrzeugversorgungsgeräten (EVSE) und Ladekabeln bereit.
Bezugnehmend auf 1 gezeigt ist, kann die vorgeschlagene Vorrichtung 100 (im Folgenden austauschbar als Vorrichtung 100 bezeichnet) in einem Elektrofahrzeug (EV) 120 zum Schutz der Ladeschaltung des EVSE 110 und des entsprechenden Ladekabels 130 während eines Fehlers im EV 120 konfiguriert werden. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 so angepasst werden, dass sie innerhalb der EVSE 110 konfiguriert werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 so angepasst werden, dass sie innerhalb des Ladekabels 130 konfiguriert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 ein elektrisches Element 102 enthalten, das zwischen der leitfähig gekoppelten Leitung von der EVSE 110 zur EV 120 und dem Chassis der EV 126 angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel kann der EV 120 einen Leistungswandler 122 ohne galvanische Trennung enthalten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Leistungswandler 122 ein DC-DC-Booster ohne galvanische Trennung sein, und der Echtzeit-Batteriestrom (Strom durch die Batterie), der von der EVSE 110 über das Ladekabel 130 an die EV 120 zugeführt wird, kann Gleichstrom sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der EVSE 110 für den Betrieb mit einer ersten vordefinierten Spannung ausgelegt sein, und der EV 120 kann für eine zweite vordefinierte Spannung ausgelegt sein; wobei die erste vordefinierte Spannung niedriger ist als die zweite vordefinierte Spannung. Hier kann der DC-DC-Booster so konfiguriert werden, dass er die erste vordefinierte Spannung auf die zweite vordefinierte Spannung anhebt, um ein reibungsloses und störungsfreies Laden des EV 120 durch den EVSE 110 zu ermöglichen.
In einer Implementierung kann das elektrische Element 102 mit einer hohen Ampere-Quadratsekunde (A²s) derart ausgewählt werden, dass es das Umleiten des Batteriestroms für ein vordefiniertes Zeitintervall erleichtern kann, bis eine Batterie des EV 120 während des Fehlers von dem EVSE 110 und dem Ladekabel 130 isoliert ist. Ferner kann das elektrische Element 102 für wenige Millisekunden eine sehr hohe Strombelastbarkeit aufweisen, eine schnelle Einschaltzeit, vorzugsweise weniger als wenige Mikrosekunden. In einem Fall kann das elektrische Element 102 ein Thyristor sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das elektrische Element 102 so konfiguriert sein, dass es zwischen einem Chassis 126 des EV 120 und einem gemeinsamen Hochspannungsanschluss (HV) zwischen dem EVSE 110 und der Batterie des EV 120 gekoppelt ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Ladekabel 130 von der EVSE 110 bis zur EV 120 verlängert werden und kann so angepasst werden, dass es die Vorrichtung 100 einschließt. In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 auch innerhalb der EVSE 110 positioniert werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung 100 eine Steuerung 104 enthalten, die mit dem elektrischen Element 102 in Verbindung stehen kann. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 104 so konfiguriert werden, dass sie den Batteriestrom mit einem vordefinierten sicheren Stromwert vergleicht. Ferner kann die Vorrichtung 100 auf der Grundlage eines Vergleichs das elektrische Element 102 betätigen, falls festgestellt wird, dass der Batteriestrom den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das elektrische Element 102 derart konfiguriert sein, dass es bei Betätigung durch die Steuerung 104 das elektrische Element 102 den Fluss des Batteriestroms von dem Ladekabel 130 auf einen alternativen Pfad umleiten kann, wodurch das EVSE 110 und das Ladekabel 130 geschützt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Regler 104 einen Operationsverstärker (OP-AMP) aufweisen, der mit dem Thyristor operativ gekoppelt werden kann, so dass der OP-AMP den Thyristor einschalten kann, indem er vordefinierten Strom an einen Gate-Anschluss des Thyristors anlegt, wenn der Echtzeit-Batteriestrom über den entsprechenden Stromkreis den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann der EV 120 ein Breaktorelement 106 (hierin auch als breaktor 106 bezeichnet) aufweisen, das eine Isolierung der Batterie des EV 120 von dem EVSE 110 und dem Ladekabel 130 ermöglichen kann. Ferner kann das vordefinierte Zeitintervall, bis zu dem das elektrische Element 102 das Umleiten des Batteriestroms auf den alternativen Pfad erleichtern kann, der Zeit entsprechen, die für die Aktivierung des Breaktorelements 106 erforderlich ist.
In einer Implementierung kann die EVSE 110 eine oder mehrere Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) 114 umfassen, und das Ladekabel 130 kann einen Schutzerdungsdraht (PE) 112 enthalten, wobei das elektrische Element 104 auch konfiguriert werden kann, um die SPD 114 und den PE-Draht 112 der EVSE 110 zusammen mit anderen Komponenten der EVSE 110 und des Ladekabels 130 zu schützen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann, sobald das elektrische Element 102 während des Fehlers betätigt wird, das elektrische Element 102 den Fluss des Batteriestroms von dem Ladekabel 130 auf den alternativen Pfad umleiten, wodurch der Strom in dem SPD 114 und dem PE-Draht 112 auf Null fallen kann, so dass das SPD 114 und der PE-Draht 112 auch während des Fehlers geschützt werden können.
Bezugnehmend auf 2, wo ein Schaltplan eines gesamten Ladesystems zusammen mit dem Booster 122 dargestellt ist, kann in einer Ausführungsform der EVSE 110 so ausgelegt sein, dass er mit einer ersten vordefinierten Spannung betrieben wird, und der EV 120 kann für eine zweite vordefinierte Spannung ausgelegt sein, wobei die erste vordefinierte Spannung niedriger ist als die zweite vordefinierte Spannung, und der DC/DC-Booster 122 kann so konfiguriert werden, dass er die erste vordefinierte Spannung auf die zweite vordefinierte Spannung anhebt, um ein reibungsloses und kontinuierliches Laden des EV 120 durch den EVSE 110 zu erleichtern.
Bei Elektrofahrzeugen mit einer Batterie von 800 V oder mehr muss beispielsweise die zugehörige Schnellladearchitektur des EVSE 110 ebenfalls als solche eingestuft werden. Einige EVSEs, insbesondere nach CHAdeMO 2.0 oder weniger, sind jedoch nur für 500 V ausgelegt. Um diese schnell ladenden EVSEs mit HV-Batterien mit einer Nennleistung von bis zu 800 V verwenden zu können, ist in den EV-Ladesystemen (EVSEs) eine DC-Booster-Schaltung 122 erforderlich. Im Allgemeinen ist der DC-Booster 122 eine leistungselektronische Schaltung, die verwendet wird, um die Spannung am Ausgang des EVSE 110 in die an den Batterieklemmen umzuwandeln. Darüber hinaus verbindet der PE-Draht 112 im Ladekabel 130 während des Schnellladens ein Chassis des EVSE 110 mit dem Chassis 126 des EV 120 zum Schutz eines Benutzers. Darüber hinaus kann der EVSE 110 mit dem SPD 114 ausgestattet werden, um den EVSE 110 vor transienten hohen Spannungen zu schützen, z. B. im Falle eines Blitzeinschlags. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Bewertung des SPD 114 von einem EVSE zum anderen variieren.
Die Herausforderung liegt jedoch im Falle eines Karosseriefehlers von einem HV-, beispielsweise HV+-Anschluss der Batterie zum Chassis 126 des EV 120, wie in 3. Wenn ein solcher Karosseriefehler auftritt, kann die Batteriespannung auf das SPD 114 auf der EVSE 110-Seite aufgedrückt werden. In einem Fall kann ein Varistor auch als SPD114 verwendet werden, der von 500 V bis 550 V leitfähig sein kann, aber der SPD 114 kann sich selbst kurzschließen, wenn er einen Spannungsstoß erkennt. Dadurch werden HV-Batteriepole durch den PE-Draht 112 kurzgeschlossen. Obwohl der Breaktor den Batteriekreislauf öffnet, beträgt die Reaktionszeit der Breaktorkomponente etwa 2-5 Millisekunden (ms), aber bis dahin kann sich der Körperfehler auf das gesamte Ladesystem auswirken. In einer beispielhaften Ausführungsform kann es zu einer Zerstörung des SPD114 auf der EVSE 110-Seite führen, wenn seine mA-s-Nennleistung die entsprechende vordefinierte Nennleistung, beispielsweise 100 mA-s, überschreitet. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann es zu einer Zerstörung des PE-Drahtes 112 führen, wenn seineA2s-Einstufung verletzt wird, beispielsweise wenn sie 7000A2s überschreitet. Darüber hinaus kann aufgrund des hohen Stroms im PE-Draht 112 die Berührungsspannung am Chassis 126 des EV 120 60 V überschreiten, was für den Benutzer gefährlich ist. Die 3 kann einen Kurzschlusspfad im Falle eines Körperfehlers in herkömmlichen EV-Ladesystemen darstellen.
Es wurden viele Techniken entwickelt und verschiedene halbleitende und leistungselektronische Geräte wurden ausgestattet, um diese Probleme zu überwinden und die entsprechenden Schaltkreise bei Fehlern zu schützen. In einer Ausführungsform wurde eine Diode in Sperrrichtung des zu erwartenden Kurzschlussstroms positioniert. Die Diode kann jedoch kein bidirektionales DC-Laden ermöglichen. Die Diode kann sich nur so lange im leitenden Zustand befinden, wie der DC-Booster einen Batteriestrom antreibt. Darüber hinaus kann die Diode zu den Verlusten im Schnellladesystem beitragen.
In einer anderen Ausführungsform wurde ein MOSFET zusammen mit der Körperdiode oder ein IGBT mit Freilaufdiode in Sperrrichtung des erwarteten Kurzschlussstroms positioniert. Dies erhöht auch die Verluste im Ladesystem. Darüber hinaus kann auch ein Kühlsystem für den IGBT/MOSFET erforderlich sein, was zu erhöhten Kosten des Gesamtsystems führen kann.
In einer anderen Ausführungsform wurde eine PyroSicherung (Sicherung mit explosivem Element) in Sperrrichtung des zu erwartenden Kurzschlussstroms positioniert. Es kann jedoch zu einer verzögerten Erkennung des Kurzschlussstroms kommen, was zur Zerstörung der Sicherung führt. Daher kann eine solche Anordnung ersetzt werden müssen und das Aufladen könnte erst danach möglich sein.
Bezugnehmend auf 4 kann die vorliegende Erfindung, einschließlich des vorgeschlagenen Systems und der Vorrichtung 100, den Schutz des SPD 114 und des PE-Drahtes 112 erleichtern. In einem Ausführungsbeispiel kann bei der Messung von HV+ zur Chassisspannung ein Schutz des SPD 114 und des PE-Drahtes 112 erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das elektrische Element 102 zwischen dem Fahrgestell 126 des EV und einem gemeinsamen HV-Anschluss zwischen dem EVSE 110 und der Batterie des EV 120 platziert werden. Zu den Merkmalen des elektrischen Elements 102 gehören:

• Sehr hohe Strombelastbarkeit für wenige Millisekunden.
• Schnelles Einschalten, vorzugsweise weniger als ein paar Mikrosekunden.

In einer Ausführungsform kann ein solches elektrisches Element 102 ein Thyristor sein. Im Allgemeinen kann ein Thyristor mit 500 A Nennstrom einen Stoßstrom > 10.000 A und I 2 t > 100.000 A²s haben. Ferner kann der Thyristor eine Einschaltzeit von 1-2 Mikrosekunden haben. Wenn also ein Isolationsfehler im HV-System des Fahrzeugs auftritt, könnte der OP-AMP den Thyristor sofort einschalten. In diesem Fall erhält der Kurzschlussstrom einen alternativen Pfad und fließt durch den Thyristor und nicht durch den SPD 114 und den PE-Draht 112. Der Thyristor wird so lange betätigt/eingeschaltet gehalten, bis sich das Breaktorelement 106 öffnet und der Batteriekreis isoliert ist.
In einer Implementierung fällt nach dem Einschalten des Thyristors der Strom im PE-Draht 112 und im SPD 114 auf Null, und auf diese Weise sind diese beiden Komponenten geschützt. Die Berührungsspannung zwischen dem EVSE-Chassis 202 und dem Chassis 126 des EV 120 (hierin auch als EV-Chassis bezeichnet) ist ebenfalls Null, da in dem PE-Draht 112 kein Strom vorhanden ist.
In einer Ausführungsform kann zum Einschalten des Thyristors im Falle eines Körperfehlers eine Steuerschaltung/Steuerung 104 entworfen werden, die analoge (ICs) oder digitale Komponenten (Mikroprozessoren) umfassen kann, wie in 5 und kann den Thyristor in kürzester Zeit erkennen und einschalten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerschaltung in der vorgeschlagenen Erfindung analog sein und aus zwei ICs bestehen, einschließlich AMC1311 isolierten Operationsverstärkers und ULN2001 Treibers. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine ohmsche Potentialteilerschaltung verwendet werden, um die HV+-Chassis Spannung zu erfassen und eine Spannung im Bereich von Null bis 3,3V auszugeben. Diese Spannung kann als Eingang für AMC1311 IC eingespeist werden, der eine zweite Masse für den Betrieb des Steuerstromkreises bereitstellen kann.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind für AMC 1311 zwei Spannungsquellen von 3,3 V an zwei verschiedenen Masseebenen erforderlich. ULN 2001 ist ein NOT-Gate-IC und geht daher in einen High-Zustand, wenn der Eingang niedrig ist, und in einen Low-Zustand, wenn der Eingang high ist. In einer Ausführungsform bewirkt die hohe Spannung an hv+ zum Chassis, dass die Leistung von ULN2001 niedrig ist und das Tor des Thyristors offen ist. Während eines Kurzschlusses sinkt jedoch die Spannung von hv+ zum Chassis und die Leistung von ULN2001 wird hoch, was wiederum den Thyristor antreibt und hv- zum Chassis kurzschließt.
Bezugnehmend auf 6 gezeigt ist, kann die vorliegende Erfindung auch simuliert werden, um wahrscheinliche Ergebnisse zu erhalten, wie in 7 und 8. In einer Ausführungsform kann das Diagramm 600 eine simulierte Ansicht der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Simulationsergebnisse 700, die den Strom in der Batterie 124, die Ströme in dem PE-Draht 112 und dem SPD 114 sowie den Booster-Induktivitätsstrom für einen bei 10 ms auftretenden Körperfehler zeigen, können in der 7. Es kann beobachtet werden, dass diese Ströme deutlich abnehmen, wenn der Thyristor aufgrund des Körperfehlers sofort ausgelöst wird, wodurch der gesamte Stromkreis im Falle des Fehlers geschützt ist. Ferner kann die Spannung zwischen HV+ und Chassis, die Gate-Spannung, die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis 126 und dem EVSE-Chassis 202 für einen bei 10 ms auftretenden Karosseriefehler in den Diagrammen 800 in der 8.
In einer Ausführungsform wird bei der vorliegenden Erfindung der Thyristor nur im Fehlerfall aktiviert und befindet sich während des normalen Schnellladens nicht im Stromkreis. Außerdem nimmt es sehr wenig Volumen ein, da der Thyristor nicht für den vollen Fehlerstrom ausgelegt sein muss. Darüber hinaus sind ULN2803 und AMC 1311 SMD-ICs und ihre Leiterplatte nimmt sehr wenig Platz ein. Außerdem muss kein Kühlsystem ausgelegt werden, da der Thyristor nur für wenige Millisekunden aktiviert wird.
Daher kann das vorgeschlagene System und die Vorrichtung das SPD 114 vor Zerstörung schützen, indem es A-s im SPD 114 auf weniger als seinen Nennwert begrenzt. Er kann auch den PE-Draht 112 schützen, indem er^A2s auf weniger als seinen Nennwert begrenzt. Es kann auch die Berührungsspannung zwischen dem EVSE-Chassis 202 und dem Chassis 126 des EV 120 (hierin auch als Fahrzeug bezeichnet) auf weniger als 60 V begrenzen, wodurch die Benutzer geschützt werden. Darüber hinaus tragen das vorgeschlagene System und die Vorrichtung während des normalen Betriebs nicht zu Verlusten bei und werden nur während eines Fehlers aktiviert.
Daher wird es von dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkannt werden, dass die Diagramme, Schaltpläne, Illustrationen und dergleichen konzeptionelle Ansichten oder Verfahren darstellen, die Systeme und Verfahren veranschaulichen, die diese Erfindung verkörpern. Die Funktionen der verschiedenen Elemente, die in den Abbildungen dargestellt sind, können durch die Verwendung von dedizierter Hardware sowie von Hardware, die in der Lage ist, zugehörige Software auszuführen, bereitgestellt werden. Ebenso sind alle in den Abbildungen gezeigten Schalter nur konzeptioneller Natur. ihre Funktion kann durch den Betrieb von Programmlogik, durch dedizierte Logik, durch die Interaktion von Programmsteuerung und dedizierter Logik oder sogar manuell ausgeführt werden, wobei die jeweilige Technik von der Einheit, die diese Erfindung ausführt, auswählbar ist. Der durchschnittliche Fachmann versteht ferner, dass die beispielhafte Hardware, Software, Prozesse, Verfahren und/oder Betriebssysteme, die hierin beschrieben werden, zur Veranschaulichung dienen und daher nicht auf eine bestimmte Bezeichnung beschränkt werden sollen.
Während das Vorstehende verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschreibt, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung ausgestaltet werden, ohne von ihrem grundlegenden Schutzumfang abzuweichen. Der Umfang der Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen, Versionen oder Beispiele beschränkt, die enthalten sind, um es einer Person mit durchschnittlichem Fachwissen auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, wenn sie mit Informationen und Kenntnissen kombiniert werden, die der Person mit durchschnittlichem Fachwissen auf dem Gebiet zur Verfügung stehen.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein System zum Schutz des EVSE und des entsprechenden Ladekabels im Falle eines Karosseriefehlers im Inneren des Elektrofahrzeugs während des Ladevorgangs bereit.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein System zum Schutz von EVSE, seinem SPD- und PE-Draht sowie dem Ladekabel bei einem Gehäusefehler bereit.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein System bereit, die ein elektrisches Element mit sehr hoher Kurzzeitstromfähigkeit und schneller Einschaltzeit umfassen, so dass es im Falle eines Körperfehlers sofort betätigt werden kann.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein System bereit, die das elektrische Element nur im Falle eines Gehäusefehlers aktivieren und das elektrische Element während des normalen Schnellladens nicht im Stromkreis vorhanden ist und daher nicht zu Verlusten beiträgt.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein System bereit, die sehr wenig Volumen einnehmen, da das elektrische Element nicht für den vollen Fehlerstrom ausgelegt sein muss.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Vorrichtung und ein System bereit, die kein Kühlsystem benötigen, da das elektrische Element nur für wenige Millisekunden aktiviert werden muss.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine intelligente, kostengünstige, kompakte und effiziente Vorrichtung bereit, die leicht in verschiedene Ladesysteme integriert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20160075236 A1 [0005]
CN 110912101 B [0006]
US 9337673 B2 [0007]

Claims

Vorrichtung (100) zum Schutz eines Ladestromkreises einer Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE) (110) und eines Ladekabels (130) während eines Fehlers in einem Elektrofahrzeug (EV) (120), das geladen wird, wobei die Vorrichtung (100) umfasst: ein elektrisches Element (102), das zwischen einer leitend gekoppelten Leitung von EVSE (110) zu EV (120) und dem Chassis von EV (126) angeordnet ist, wenn das EVSE (110) über einen Leistungswandler (122) ohne galvanische Trennung mit dem EV (120) verbunden ist; und eine Steuerung (104) in Verbindung mit dem elektrischen Element (102), wobei die Steuerung (104) so konfiguriert ist, dass: Vergleichen Sie den Batteriestrom in Echtzeit mit einem vordefinierten sicheren Stromwert. und das elektrische Element (102) betätigen, falls der Echtzeit-Batteriestrom den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet; wobei das elektrische Element (102) derart ausgebildet ist, dass das elektrische Element (102) bei Betätigung durch die Steuerung (104) den Fluss des Batteriestroms vom Ladekabel (130) auf einen alternativen Pfad umleitet und dadurch die EVSE (110) und das Ladekabel (130) schützt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Element (102) so konfiguriert ist, dass es zwischen einem Chassis (126) des EV (120) und einem gemeinsamen Hochspannungsanschluss (HV) zwischen dem EVSE (110) und einer Batterie des EV (120) gekoppelt ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Element (102) mit einer vordefinierten Ampere-Quadratsekunde und einer minimalen Einschaltzeit derart gewählt ist, daß es das Umleiten des Batteriestroms für ein vordefiniertes Zeitintervall erleichtert, bis die Batterie von der EVSE (110) und dem Ladekabel (130) isoliert ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung (100) ein Breaktorelement (106) gekoppelt ist, das eine Trennung der Batterie (124) von der EVSE (110) und dem Ladekabel (130) ermöglicht, und das vordefinierte Zeitintervall der Zeit entspricht, die für die Aktivierung des Breaktorelements (106) benötigt wird.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die EVSE (110) eine oder mehrere Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) (114) und Ladekabel einen Schutzerdungsdraht (112) umfasst, und wobei, sobald das elektrische Element (102) betätigt wird und den Fluss des Batteriestroms vom Ladekabel (130) auf den alternativen Pfad umleitet, der Strom im SPD (114) und im PE-Draht (112) auf Null fällt, wodurch das SPD (114) und der PE-Draht (112) während des Fehlers geschützt werden.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Element (102) ein Thyristor ist und der Regler (104) einen Operationsverstärker (OP-AMP) aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Leistungswandler (122) ein DC/DC-Booster ohne galvanische Trennung ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die EVSE (110) für den Betrieb mit einer ersten vordefinierten Spannung und die EV (120) für eine zweite vordefinierte Spannung ausgelegt ist; wobei die erste vordefinierte Spannung niedriger ist als die zweite vordefinierte Spannung, und der DC-DC-Booster so konfiguriert ist, dass er die erste vordefinierte Spannung auf die zweite vordefinierte Spannung anhebt, um das Aufladen des EV (120) durch das EVSE (110) zu erleichtern.
System zum Schutz eines Ladekreises einer Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE) (110) und eines Ladekabels (130) während eines Fehlers, wobei das System umfasst: eine oder mehrere Überspannungsschutzvorrichtungen (SPD) (114), die mit dem EVSE (110) und einem Schutzerdungskabel (112) im Ladekabel konfiguriert sind; einen Stromwandler (122) ohne galvanische Trennung, der mit einem Elektrofahrzeug (EV) (120) versehen ist; und eine Vorrichtung (100), die so konfiguriert ist, dass sie zwischen dem EVSE (110) und dem EV (120) gekoppelt wird, wobei die Vorrichtung (100) Folgendes umfasst: ein elektrisches Element (102), das zwischen einer leitfähig gekoppelten Leitung von EVSE (110) zu EV (120) und dem Chassis von EV (126) angeordnet ist, wenn das EVSE (110) zum Laden mit dem EV (120) verbunden ist; und eine Steuerung (104) in Verbindung mit dem elektrischen Element (102), wobei die Steuerung (104) so konfiguriert ist, dass: Vergleichen Sie den Batteriestrom in Echtzeit mit einem vordefinierten sicheren Stromwert. und das elektrische Element (102) betätigen, falls der Echtzeit-Batteriestrom den vordefinierten sicheren Stromwert überschreitet; wobei das elektrische Element (102) derart konfiguriert ist, dass das elektrische Element (102) bei Betätigung durch die Steuerung (104) den Fluss des Batteriestroms vom Ladekabel (130) auf einen alternativen Pfad umleitet, wobei der alternative Pfad das elektrische Element (102) umfasst, wodurch die EVSE (110) und das Ladekabel (130) geschützt werden.
System nach Anspruch 9, ein mit dem System (100) wirkgekoppeltes Breaktorelement (106), das die Trennung einer Batterie (124) des EV (120) von der EVSE (110) und dem Ladekabel (130) nach einem vordefinierten Zeitintervall ermöglicht, das der Zeit entspricht, die für die Aktivierung des Breaktorelements (106) benötigt wird, und wobei das System es zulässt, dass das elektrische Element (102) nur für das vordefinierte Zeitintervall betätigt wird und die Zirkulation des Batteriestroms erleichtert.